October 19, 2021

Primer tetraquark con doble hechizo (s): los físicos del CERN descubrieron la combinación más duradera de cuatro quarks hasta la fecha

Un exótico especial: los físicos han descubierto por primera vez un tetraquark hecho de dos quarks encantadores pesados ​​y dos antiquarks más ligeros, el primer representante de una clase completamente nueva de partículas de cuatro quarks. Estos tetraquarks doblemente pesados ​​se consideran candidatos para representantes de larga duración, quizás incluso estables, de las combinaciones de quarks exóticos. La detección de una de estas partículas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN abre nuevas oportunidades para la investigación de esta forma exótica de materia.

En la materia normal, los quarks ocurren típicamente en combinaciones de tres, como en los protones y neutrones del núcleo atómico. También hay mesones de vida corta formados por un quark y un antiquark. Hasta aquí el inventario clásico. En los últimos años, sin embargo, los físicos han detectado otras combinaciones exóticas de quarks en aceleradores de partículas, incluidas partículas con cuatro, cinco o incluso seis quarks.

Este pico claro en el espectro de masas de los mesones D confirma la existencia del nuevo tetraquark. © Colaboración LHCb / CERN

Primer tetraquark de doble peso

Ahora hay una nueva adición al zoológico de partículas: los físicos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el centro de investigación del CERN han descubierto el primer representante de una nueva clase de partículas de cuatro quarks: los tetraquarks doblemente pesados ​​(Tcc+). Estas partículas, compuestas por dos quarks pesados ​​y dos ligeros, se postularon ya en la década de 1980, pero nunca se han detectado desde entonces. Se considera que son los mejores candidatos para hadrones que son estables a pesar de su exótica combinación de quarks.

Tal Tcc+-Tetraquark ahora ha sido descubierto por los investigadores del CERN. Surge de las colisiones de protones en el acelerador de partículas LHC y se descubrió sobre la base de una notable “joroba” en la distribución de masa de las partículas capturadas en el detector LHCb. “El tetraquark se manifiesta como un pico estrecho en el espectro de masas del mesón D”, así describen los físicos la señal.

Según los investigadores, la significación estadística es de más de 20 desviaciones y, por lo tanto, muy por encima del umbral de cinco sigma, de lo que se habla de un descubrimiento en la física de partículas.

Encanto (s) doble (s)

El tetraquark recién descubierto consta de dos quarks encantadores pesados, un antiquark ascendente y un antiquark descendente. Esto significa que no es solo la primera partícula de cuatro quarks de doble peso, también es el primer tetraquark que contiene dos quarks encantadores sin antiquarks encantadores compensadores. Los físicos se refieren a esta partícula como si tuviera un doble “encanto abierto”, una dosis doble de encanto (s), por así decirlo.

Durante mucho tiempo no estuvo claro si tales partículas existían y si, como los otros tetraquarks, se mantienen unidas por la fuerte fuerza nuclear. “El descubrimiento tan esperado de esta semana ahora muestra que tal Tcc+-Tetraquark existe – y que su firma puede probarse experimentalmente ”, informaron los físicos de la colaboración LHCb el 29 de julio de 2021 en la conferencia de física de alta energía de la Sociedad Europea.

Más duradero que todas las demás especies exóticas.

También es emocionante: el nuevo tetraquark es el más longevo de todos los hadrones exóticos conocidos, como informan los físicos. Todas las partículas que se mantienen unidas por la fuerza nuclear fuerte se llaman hadrones. La masa del tetraquark está solo ligeramente por debajo del valor de sus productos de desintegración: dos mesones D que constan cada uno de un quark encanto pesado y un antiquark ligero.

La energía en el estado cuádruple unido es, por lo tanto, solo ligeramente superior a la de los productos de desintegración y eso es una indicación de una estabilidad relativamente alta. “Esto significa que este tetraquark todavía se desintegra en dos mesones D a través de la interacción fuerte, pero esto ocurre de manera más lenta y menos intensa que con los otros hadrones exóticos”, explica el investigador del LHCb Ivan Polyakov de la Universidad de Syracuse. La nueva partícula confirma así que la clase de tetraquarks doblemente pesados ​​es en realidad particularmente estable.

Nuevos conocimientos sobre hadrones exóticos

El descubrimiento del nuevo tetraquark ahora permite sacar las primeras conclusiones sobre el siguiente representante, probablemente incluso más estable, de los tetraquarks doblemente pesados: una partícula formada por dos quarks inferiores con dos antiquarks ligeros. Sin embargo, este hadrón aún más pesado aún no se puede detectar con el rendimiento actual del LHC y es extremadamente raro, como explica Polyakov.

Es tanto más beneficioso que su primo más ligero, el doblemente “encantador” Tetraquark, sea particularmente fácil de detectar y, por lo tanto, investigado. “El nuevo Tcc+-Tetraquark es un tentador objeto de investigación adicional. Porque su descomposición solo incluye partículas que pueden detectarse fácilmente ”, dice el equipo de LHCb. “Esto permite una alta precisión en la determinación de la masa y pruebas rigurosas para los modelos teóricos existentes”. (Conferencia de la Sociedad Europea de Física sobre física de altas energías (EPS-HEP 2021))

Quelle: CERN, Colaboración LHCb